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c# 如何用c#实现一个支持优先级的任务队列
Queue不支持优先级队列功能,因其为FIFO结构,无法按优先级动态排序;.NET 6+推荐使用原生PriorityQueue,底层为二叉堆,操作复杂度O(log n)。

为什么不能直接用 Queue 做优先级队列

因为 Queue 是先进先出(FIFO),完全不支持按优先级动态排序。插入时无法决定它该排在哪,取的时候也只认队首——哪怕你刚塞进去一个紧急任务,它也得等前面所有低优任务跑完。

常见误操作是手动 Sort() 每次插入后或取前重排,这会导致时间复杂度飙升到 O(n log n),且破坏线程安全。真实场景里,高并发下还可能漏掉排序时机,造成优先级“失效”。

PriorityQueue(.NET 6+)最稳妥

.NET 6 引入了原生 PriorityQueue,底层是二叉堆,Enqueue()Dequeue() 都是 O(log n),线程不安全但性能高、语义清晰。

  • TPriority 必须可比较(实现 IComparable),常用 intdouble 或自定义类型
  • 优先级值越小,越早被取出(即“最小堆”行为)。想让数字越大优先级越高?传负值或反转比较逻辑
  • 相同优先级的元素,取出顺序不保证(FIFO 不保障),如需稳定,可在 TPriority 中混入递增序列号
var queue = new PriorityQueue();
queue.Enqueue("low", 10);
queue.Enqueue("high", 1);
queue.Enqueue("medium", 5);

Console.WriteLine(queue.Dequeue()); // 输出 "high"
Console.WriteLine(queue.Dequeue()); // 输出 "medium"

兼容旧版 .NET(如 .NET Framework 4.8)怎么办

没有内置 PriorityQueue,别硬套 SortedSet(无法存重复优先级)或自己手写堆(易错且难维护)。推荐两个轻量方案:

  • 用第三方包 Microsoft.Experimental.Collections(已归档,不推荐)或更现代的 System.Collections.Generic.Extensions(含 PriorityQueue 实现)
  • 自己封装一层:用 List + Insert() 手动找位置插入(适合任务量小、优先级离散的场景);或用 SortedDictionary>,把每个优先级映射到一个 FIFO 队列,Dequeue() 时先找最低键,再从对应 Queue 取 —— 这样能保序、支持重复优先级,且平均操作接近 O(log k)(k 是不同优先级数)

多线程环境下必须加锁或换并发结构

PriorityQueue 本身不保证线程安全。多个线程同时 Enqueue/Dequeue 会抛 InvalidOperationException 或数据损坏。

  • 简单场景:用 lock 包裹所有队列操作,粒度粗但够用
  • 高性能需求:改用 ConcurrentQueue + 外部排序调度器(不推荐,失去优先级实时性);或封装成 ConcurrentPriorityQueue,内部用 ReaderWriterLockSlimSpinLock 控制访问
  • 注意:即使加锁,也要避免在锁内做耗时操作(比如 IO、等待 Task),否则阻塞整个队列

优先级队列真正的复杂点不在“怎么排”,而在“谁来决定优先级值”和“如何避免高优任务饿死低优任务”。比如长期堆积的低优任务可能永远得不到执行,需要引入老化(aging)机制——每次重排队列时悄悄提升其优先级。这点容易被忽略,但生产环境很关键。